放射生物物理和靶材料工艺学4医用材料辐射工艺技术ppt课件

1、医用水凝胶医用水凝胶鲜花种在鲜花种在“果冻果冻状高分子吸水状高分子吸水材料上材料上水凝胶与伤口被覆凝胶水凝胶与伤口被覆凝胶 生物功能性聚合物与药物缓释体系生物功能性聚合物与药物缓释体系 医用有机硅及聚氨酯医用有机硅及聚氨酯 医用吸水性材料医用吸水性材料 辐照技术本章内容本章内容 生物医学材料是生物医学科学中的最新分支生物医学材料是生物医学科学中的最新分支交叉学科，涉及到化学、物理学、高分子化交叉学科，涉及到化学、物理学、高分子化学、高分子物理学、生物物理学、生物化学、学、高分子物理学、生物物理学、生物化学、生理学、药物学、基础与临床医学等很多学生理学、药物学、基础与临床医学等很多学科科 。 I

2、SO定义，生物材料定义，生物材料Biomaterials即生物即生物医学材料医学材料Biomedical Materials），它是指），它是指“以医疗为目的，用于与组织接触以形成功能以医疗为目的，用于与组织接触以形成功能的无生命的材料的无生命的材料”。另有定义是：具有天然器。另有定义是：具有天然器官组织的功能或天然器官部分功能的材料。官组织的功能或天然器官部分功能的材料。 牛软骨细胞在实验室内生长，作为种子种植在用合成材料预制的耳支架上，埋植于大鼠背部皮下，目前尚处于实验室阶段。 当前被详细研究过的生物材料已超过1000种，被广泛应用的有90多种，1800多种制品。西方国家每年耗用生物材料量

3、以1015%的速度增长，1980年全球医用生物材料及制品的销售额为200亿美元，1990年达500亿美元，2019年近1000亿美元。 我国生物材料的研究起步较晚五十年代），但发展很快。料的静载强度、弹性模量、耐体液腐蚀料的静载强度、弹性模量、耐体液腐蚀性和加工成型等性和加工成型等按材料生物属性分类按材料生物属性分类天然生物材料天然生物材料再生纤维、胶原、透明质酸、甲再生纤维、胶原、透明质酸、甲壳素等。壳素等。合成材料合成材料硅橡胶、聚氨脂及其嵌段共聚物、涤硅橡胶、聚氨脂及其嵌段共聚物、涤纶、尼龙、聚丙烯腈、聚烯烃纶、尼龙、聚丙烯腈、聚烯烃医用金属材料医用金属材料不锈钢、钛及钛合金、钛镍记忆不

4、锈钢、钛及钛合金、钛镍记忆合金等合金等无机材料无机材料碳素材料、生物活性陶瓷、玻璃材料碳素材料、生物活性陶瓷、玻璃材料杂化生物材料杂化生物材料指来自活体的天然材料与合成材指来自活体的天然材料与合成材料的杂化，如胶原与聚乙烯醇的交联杂化等料的杂化，如胶原与聚乙烯醇的交联杂化等复合生物材料复合生物材料用碳纤维增强的塑料，用碳纤维用碳纤维增强的塑料，用碳纤维或玻璃纤维增强的生物陶瓷、玻璃等或玻璃纤维增强的生物陶瓷、玻璃等 生物材料是研制人工器官及一些重要医疗技术的物质基础，综观人工器官及医疗装置的发展史，每一种新型生物材料的发现都引起了人工器官及医疗技术的飞跃。生物惰性医用硅橡胶人工耳、人工鼻、人工

5、颌骨等血液相容性较好的各向同性碳被复材料碟片式机械心脏瓣膜血液亲和性及物理机械性能较好的聚氨酯嵌段共聚物促使人工心脏向临床应用跨越一大步可形成假生物内膜的编织涤纶管人工血管向实用化飞跃。药理学、解剖学、临床医学、工程学等学药理学、解剖学、临床医学、工程学等学科，及医疗器械的设计、制造等。科，及医疗器械的设计、制造等。 生物相容性包括材料反应：活体系统对材料的材料反应：活体系统对材料的腐蚀和降解，使材料发生退化腐蚀和降解，使材料发生退化或破坏，难以达到长期应用的或破坏，难以达到长期应用的目的。（血液相容性目的。（血液相容性 + +组织相组织相容性容性 ）高高分分子子材材料料高分子化合物命名：高分

6、子化合物命名：习惯名称或商品名称来命名：如有机玻璃聚甲习惯名称或商品名称来命名：如有机玻璃聚甲基丙烯酸甲酯）、涤纶聚对苯二甲酸乙二醇酯基丙烯酸甲酯）、涤纶聚对苯二甲酸乙二醇酯等。等。通俗命名法，最简单的命名法，是根据制作高分通俗命名法，最简单的命名法，是根据制作高分子化合物的单体名称，前面冠以子化合物的单体名称，前面冠以“聚字而成。聚字而成。如聚乙烯、聚丙烯。如聚乙烯、聚丙烯。 医用高分子制品，包括人工器官、医疗用医用高分子制品，包括人工器官、医疗用品输血输液用具、注射器、心导管、主动脉气品输血输液用具、注射器、心导管、主动脉气囊反搏器、角膜接触镜、中心静脉插管、膀胱造囊反搏器、角膜接触镜、中

7、心静脉插管、膀胱造瘘管、医用粘合剂以及各种医用导管、医用膜、瘘管、医用粘合剂以及各种医用导管、医用膜、创伤包扎材料和各种手术、护理用品等创伤包扎材料和各种手术、护理用品等 ）和药）和药用高分子作为赋形剂用高分子作为赋形剂 、合成新型药物、合成新型药物 ）三大）三大类。类。 料改性和寻找材料新功能方面有重料改性和寻找材料新功能方面有重要应用前景。要应用前景。电离辐射在生物材料中的特点电离辐射在生物材料中的特点1. 1. 受照射生成自由基或离子，引发生物材受照射生成自由基或离子，引发生物材料自身发生辐射聚合、辐射接枝与辐射交料自身发生辐射聚合、辐射接枝与辐射交联或降解反应方法简单。联或降解反应方法

8、简单。2.2.在辐射合成、加工过程中无需引入任何在辐射合成、加工过程中无需引入任何引发剂或添加剂，所得产物纯净，是生物引发剂或添加剂，所得产物纯净，是生物医用高分子材料的临床应用重要特征。医用高分子材料的临床应用重要特征。3.3.一些热敏性生物材料不能在高温下处理，一些热敏性生物材料不能在高温下处理，而辐照加工或改性的材料可在室温、甚至而辐照加工或改性的材料可在室温、甚至低温下进行。低温下进行。 4. 4.电离辐射不仅起到加工的作用，同时还电离辐射不仅起到加工的作用，同时还具有杀灭细菌和病毒的作用，方便快具有杀灭细菌和病毒的作用，方便快“洁洁”。 水凝胶水凝胶 分为天然和合成两类，天然的有琼脂

9、分为天然和合成两类，天然的有琼脂糖、明胶等，合成的凝胶很多，如聚甲基丙烯酸糖、明胶等，合成的凝胶很多，如聚甲基丙烯酸酯、聚酯、聚N-N-乙烯基吡咯烷酮，聚乙烯基吡咯烷酮，聚N-N-异丙基丙烯酰胺、异丙基丙烯酰胺、聚环氧乙烷等。水凝胶是亲水性交联聚合物，是聚环氧乙烷等。水凝胶是亲水性交联聚合物，是不流动的高分子溶液。不流动的高分子溶液。化学凝胶化学凝胶 以化学键交联的方式相连来实现的凝胶称为化学以化学键交联的方式相连来实现的凝胶称为化学凝胶。凝胶。 物理凝胶物理凝胶线性分子间的物理缠绕、静电引力或氢键维持的线性分子间的物理缠绕、静电引力或氢键维持的称为物理凝胶，物理凝胶是可逆的，在一定的环称为物

10、理凝胶，物理凝胶是可逆的，在一定的环境下可被破坏。境下可被破坏。 医用水凝胶有以下特征：医用水凝胶有以下特征： 1. 1. 结构的多孔性可使它在使用前就把残留的引发剂及结构的多孔性可使它在使用前就把残留的引发剂及其分解产物、杂质从水凝胶网状结构中排出掉。其分解产物、杂质从水凝胶网状结构中排出掉。2. 2. 可溶胀大于它自身几倍、几十倍的水量，用于皮肤可溶胀大于它自身几倍、几十倍的水量，用于皮肤抗干燥、医用调湿增稠、药物载体、医学美容、食品抗干燥、医用调湿增稠、药物载体、医学美容、食品保鲜等等。保鲜等等。3. 3. 使用时呈溶胀状态，柔软具有弹性，可减少对周围使用时呈溶胀状态，柔软具有弹性，可减

11、少对周围细胞和组织的机械冲撞和刺激。细胞和组织的机械冲撞和刺激。4.4.凝胶表面与周围水溶液之间有很低的表面张力，可凝胶表面与周围水溶液之间有很低的表面张力，可减少对体液中蛋白质的吸附作用从而减少血栓、炎症减少对体液中蛋白质的吸附作用从而减少血栓、炎症等有害物质的生成。等有害物质的生成。5. 5. 可设计为多孔海绵状、无孔凝胶、光学透明膜、管可设计为多孔海绵状、无孔凝胶、光学透明膜、管材、纤维状物、粉末、微球或纳米粒子等，也可以将材、纤维状物、粉末、微球或纳米粒子等，也可以将水凝胶接枝在力学性能较好的基材上。水凝胶接枝在力学性能较好的基材上。交链聚合物结构图 使用冻融辐射接枝技术，制备的新型可

12、缓释药物的共聚水凝胶伤口敷料，具有良好的理化和生物学性能，生物相容性良好，可明显促进伤口的愈合，凝胶膜含抗生素及主要细胞生长因子缓释功能，对伤口感染和愈合具有良好的疗效；在凝胶膜中掺入硝酸甘油贴于胸前可迅速释放药物并维持有效药物浓度长达57天，对冠心病心绞痛发作的预防和治疗具有重要临床应用价值，而且这种水凝胶膜的辐射合成与灭菌同时完成，减少了消毒工序，具有较强的机械强度和抗菌作用。运用运用共混物凝胶共混物凝胶两种或两种以上聚合物凝胶混合在两种或两种以上聚合物凝胶混合在一起叫做聚合物的共混物或共混物凝胶。一起叫做聚合物的共混物或共混物凝胶。互相交联聚合物网络互相交联聚合物网络IPN：互穿网络聚合

13、物凝胶DMAEMA+ PEO+H2O交联剂甲叉双丙稀酰胺） 驱氧后，在室温下驱氧后，在室温下辐照辐照15 kGy15 kGy剂量剂量 半互穿网络半互穿网络Semi-IPNsSemi-IPNs凝胶凝胶高时，疏水相相互作用增强，使凝胶收缩，高时，疏水相相互作用增强，使凝胶收缩，降低温度，凝胶溶胀。降低温度，凝胶溶胀。因为温度的变化因为温度的变化可影响疏水和亲水基团，从而使凝胶结构可影响疏水和亲水基团，从而使凝胶结构改变，发生体积变化。改变，发生体积变化。能也发生改变实现凝胶响应。能也发生改变实现凝胶响应。接作用：接作用：式中式中M M为单体，生成的聚合物为单体，生成的聚合物是线性分子链，如果继续加

14、大辐照剂是线性分子链，如果继续加大辐照剂量，它们就会交联起来逐渐生成三维量，它们就会交联起来逐渐生成三维网状结构的凝胶。网状结构的凝胶。MR 辐射2MH OOHHeaqR 5.5.易消毒，物理、化学性能稳定易保存，易消毒，物理、化学性能稳定易保存，价格相对便宜。价格相对便宜。液积存，这种伤口被覆膜药物可以穿透，液积存，这种伤口被覆膜药物可以穿透，有很好的治疗作用。有很好的治疗作用。 水凝胶的应用领域在不断扩大，目前可归纳为：合成伤口治疗被覆膜；药物缓释体系以及透皮体系；牙科材料；植入材料；可注射聚合物材料；眼科应用；杂化型器官和被囊生命组织。 比如用于细胞分离与培养、物料萃取、固定化酶、药物的

15、控制释放和靶向药物等领域。 生物功能性聚合物生物功能性聚合物Biofunctional Biofunctional polymerspolymers）：生物活性物质与载体聚合）：生物活性物质与载体聚合物相结合的产物。物相结合的产物。 载体：指聚合物凝胶，有均聚凝胶、共载体：指聚合物凝胶，有均聚凝胶、共聚凝胶、共混凝胶等。聚凝胶、共混凝胶等。生物活性物质：包括酶、抗体、抗原、生物活性物质：包括酶、抗体、抗原、细胞组织、抗凝血剂、抗菌剂及小分子细胞组织、抗凝血剂、抗菌剂及小分子药物，其中药物的固定化与缓慢释放研药物，其中药物的固定化与缓慢释放研究最为深入。究最为深入。固定化概念：固定化概念： 将生

16、物活性物质与载体相结合的方将生物活性物质与载体相结合的方法称为固定化法称为固定化ImmobilizationImmobilization）。）。 固定化后生物活性物质被贮藏于某一固定化后生物活性物质被贮藏于某一空间，可连续进行生物活性反应或可反复空间，可连续进行生物活性反应或可反复使用，这样就可以将价格比较昂贵又易流使用，这样就可以将价格比较昂贵又易流失的生物活性物有效、合理、经济地加以失的生物活性物有效、合理、经济地加以利用。利用。固定化方法：主要有物理包埋、化学键合固定化方法：主要有物理包埋、化学键合以及静电吸附等，辐射技术在物理和化学以及静电吸附等，辐射技术在物理和化学键合方法中得到很好

17、的应用。键合方法中得到很好的应用。 入上述体系中进行固定。入上述体系中进行固定。缺陷：生物活性物质辐射失活缺陷：生物活性物质辐射失活低温过冷态辐射包埋法：低温过冷态辐射包埋法：通过降低辐照温度缓解生物活性通过降低辐照温度缓解生物活性物质辐射失活。物质辐射失活。125I125I标记的两种球蛋白出血热单标记的两种球蛋白出血热单抗抗E5E5键合在接枝丙烯酰胺的硅橡键合在接枝丙烯酰胺的硅橡胶膜上胶膜上 。应用举例应用举例2 2： 研究发现白血病患者癌细胞中含研究发现白血病患者癌细胞中含有致病的有致病的L-L-天门冬酰胺，而天门冬酰胺，而L-L-天门冬酰天门冬酰胺酶是一种治疗血癌白血病和淋巴胺酶是一种治

18、疗血癌白血病和淋巴细胞癌的药物。细胞癌的药物。 有人将有人将L-L-天门冬酰胺酶用化学键合天门冬酰胺酶用化学键合法固定在多孔纤维状聚丙烯基材上，制法固定在多孔纤维状聚丙烯基材上，制成了抗癌药物载体，当静脉血流经该载成了抗癌药物载体，当静脉血流经该载体时血液中的体时血液中的L-L-天门冬酰胺被清除。天门冬酰胺被清除。应用举例应用举例3 3： 用辐射接枝技术将苯乙烯接枝在用辐射接枝技术将苯乙烯接枝在聚四氟乙烯上，然后在苯环上硝化，还聚四氟乙烯上，然后在苯环上硝化，还原并转化为异硫氰酸盐使其与抗体原并转化为异硫氰酸盐使其与抗体HGHHGH键连接，制成了包被管人生长激素键连接，制成了包被管人生长激素H

19、GHHGH检测试剂盒。检测试剂盒。 还有人用辐射接枝法将甲基丙烯酸还有人用辐射接枝法将甲基丙烯酸MAAcMAAc接枝在聚丙烯上，然后再连接接枝在聚丙烯上，然后再连接上抗血吸虫抗体，用它来分析和检测血上抗血吸虫抗体，用它来分析和检测血吸虫病亦获了成功。吸虫病亦获了成功。 药物控制释放体系药物控制释放体系 药物控制释放体系药物控制释放体系Drug Contral and Drug Contral and Delivery Systems, DCDSDelivery Systems, DCDS就是将药物制成一就是将药物制成一定的剂型，控制药物在人体内的释放度，使药定的剂型，控制药物在人体内的释放度，

20、使药物按照设计的剂量、在要求的时间范围内以一物按照设计的剂量、在要求的时间范围内以一定的速度在体内缓慢释放，以达到治疗某种疾定的速度在体内缓慢释放，以达到治疗某种疾病的目的。病的目的。智能药物控制释放体系智能药物控制释放体系 能对外界的某种刺激信号，如光、热、磁能对外界的某种刺激信号，如光、热、磁场、电流、超声波或某种化学物质作出响应，场、电流、超声波或某种化学物质作出响应，根据刺激信号的性质、强弱调整药物的释放。根据刺激信号的性质、强弱调整药物的释放。 0 6 12 18(h)药药物物浓浓度度缓释缓释治 疗 剂治 疗 剂量范围量范围 注射注射注射注射注射注射 药物缓释与注射的比较药物缓释与注

21、射的比较 药物缓释方式：口服、皮肤吸收、皮下植药物缓释方式：口服、皮肤吸收、皮下植入和外部植入。入和外部植入。辐射制备药物缓释举例辐射制备药物缓释举例1 1： 丙烯酸丙烯酸+L-+L-脯氨酸甲酯制备缩聚物脯氨酸甲酯制备缩聚物A-proOMeA-proOMe），然后与甲基丙烯酸乙酯），然后与甲基丙烯酸乙酯单体单体HEMAHEMA和憎水苯乙烯单体和憎水苯乙烯单体StSt在有交联剂的作用下，用在有交联剂的作用下，用60Co60Co射线真射线真空辐照空辐照30 kGy30 kGy产生辐射共聚物，该产生辐射共聚物，该干燥凝胶具有明显的温度敏感性，体积干燥凝胶具有明显的温度敏感性，体积溶胀度高，将共聚凝胶

22、在溶胀度高，将共聚凝胶在00下与药物下与药物浸泡吸附饱和），制备出不同的温敏浸泡吸附饱和），制备出不同的温敏药物控释体系调整给药。药物控释体系调整给药。辐射制备药物缓释举例辐射制备药物缓释举例2：HEMA+HA+驱氧驱氧+交联剂交联剂射线照射射线照射50kGy透明质酸的聚电解质凝胶透明质酸的聚电解质凝胶 该凝胶具有电场响应，再设计生物传感装该凝胶具有电场响应，再设计生物传感装置置感受器：接受环境刺激光、声、味、电感受器：接受环境刺激光、声、味、电场、磁场及化学物质）场、磁场及化学物质）传送器：将反应转化为信号如温度、传送器：将反应转化为信号如温度、pH、电场等），这电场等），这 个信号可使环境

23、敏感性凝胶溶胀药个信号可使环境敏感性凝胶溶胀药物释放或收缩物释放或收缩 （停止释放），这就是智能化缓释体（停止释放），这就是智能化缓释体系。系。感受器感受器传送器传送器一、医用有机硅材料一、医用有机硅材料 包括聚硅氧烷和聚硅烷两类，常用聚硅包括聚硅氧烷和聚硅烷两类，常用聚硅氧烷树脂氧烷树脂Silicone resinSilicone resin和聚硅氧烷橡胶和聚硅氧烷橡胶Silicone rubberSilicone rubber）。）。Rn)O(ORSiSiSiRRRRRRRRRnORRORRRSiSiSiRSiR)(直链聚硅氧烷 支链聚硅氧烷 第四节第四节 医用有机硅及聚氨酯医用有机硅及聚

24、氨酯 将聚硅氧烷树脂加入将聚硅氧烷树脂加入SiO2SiO2，二氧化钛，二氧化钛TiO2TiO2等，再经过硫化交联并加入其他辅料和助剂进等，再经过硫化交联并加入其他辅料和助剂进行混炼成型、热处理、熟化后就得到高性能的硅橡行混炼成型、热处理、熟化后就得到高性能的硅橡胶。胶。医用硅橡胶用途：长期植入：心脏起搏器、医用硅橡胶用途：长期植入：心脏起搏器、人造喉头、人工皮肤、人工指关节等；短人造喉头、人工皮肤、人工指关节等；短期植入：腹膜透析管、动静脉外瘘管、导尿期植入：腹膜透析管、动静脉外瘘管、导尿管、胃插管等；体外循环：人工心肺器薄管、胃插管等；体外循环：人工心肺器薄膜、人工肾导管、胎儿吸引管吸头等。

25、膜、人工肾导管、胎儿吸引管吸头等。 用硅橡胶制备人工鼻梁、人工下巴、下用硅橡胶制备人工鼻梁、人工下巴、下颌骨、人工耳、人工喉、鼻孔支架、止鼾器、颌骨、人工耳、人工喉、鼻孔支架、止鼾器、阴茎假体、人工睾丸、人工乳房、人工关节、阴茎假体、人工睾丸、人工乳房、人工关节、婴儿奶嘴等已广泛应用于临床实践。婴儿奶嘴等已广泛应用于临床实践。 医用硅橡胶有副作用，辐射接枝技术已做了许多的研究和改进。 比如：在醋酸纤维膜上用60Co 射接枝HEMA时，随接枝率的增加血小板吸附量也相应地减少；将聚四氟乙烯、聚丙烯、聚氨酯和硅橡胶等做为基材，辐射接枝N-乙烯吡咯烷酮 （N-VP）、HEMA等亲水性单体，然后将接枝共

26、聚物做成血管替代品植入动物体内观察它们抗凝血性能，9次实验中只有一例出现凝血，减少了血栓的形成。改良改良 将硅橡胶膜将硅橡胶膜射线辐射接枝接上温敏射线辐射接枝接上温敏PNIPAAmPNIPAAmN-N-异丙基丙烯酰胺），发现随着异丙基丙烯酰胺），发现随着剂量的增大，接枝率迅速增加，然后趋缓，剂量的增大，接枝率迅速增加，然后趋缓，并在并在30 kGy30 kGy以后趋于饱和，硅橡胶膜是憎以后趋于饱和，硅橡胶膜是憎水性的，但接枝了一定量亲水性聚水性的，但接枝了一定量亲水性聚PNIPAAmPNIPAAm后，硅橡胶膜表现出一定的亲水性辐射接后，硅橡胶膜表现出一定的亲水性辐射接枝产品并具有温敏效应。枝产

27、品并具有温敏效应。改良改良二、医用聚氨酯材料二、医用聚氨酯材料 定义：聚氨酯定义：聚氨酯PolyurethanePolyurethane，PUPU是一类物是一类物理性质变化范围较广且分子内含有氨基甲酸乙理性质变化范围较广且分子内含有氨基甲酸乙酯键的高分子材料的总称。酯键的高分子材料的总称。 聚氨酯的缺点：韧性较差，抗冲击力能力聚氨酯的缺点：韧性较差，抗冲击力能力差，较易老化寿命较短差，较易老化寿命较短, ,，易变色，易变色, ,憎水和憎水和耐酸碱性差。耐酸碱性差。 应用辐射接枝改性技术在聚醚氨酯膜应用辐射接枝改性技术在聚醚氨酯膜SPEUSPEU上进行辐射接枝上进行辐射接枝N-N-乙烯基吡啶乙烯

28、基吡啶N-VPN-VP）、丙烯酰胺）、丙烯酰胺AAmAAm）、）、4-4-乙烯基吡乙烯基吡啶啶4-VP4-VP和丙烯酸和丙烯酸AAcAAc等。等。 SPEUSPEU膜辐射接枝亲水性膜辐射接枝亲水性N-VPN-VP后，膜表面后，膜表面亲水性明显增加，而吸水性随接枝率增加亲水性明显增加，而吸水性随接枝率增加而上升。而上升。 医用吸水性材料医用吸水性材料Super absorbent polymerSuper absorbent polymer，SAPSAP是具有超级吸水性能的聚合物，它的吸水是具有超级吸水性能的聚合物，它的吸水量可达自身的几十倍甚至上千倍，在受挤压时量可达自身的几十倍甚至上千倍，在受挤压时水也不会被挤出，材料易加工，使用方便。水也不会被挤出，材料易加工，使用方便。 运用：在农业、林业、石油、化工、环保、建运用：在农业